Устройство дифференциала — как он работает?
К сожалению, современные дороги далеко не всегда отличаются высоким качеством дорожного покрытия и автомобиль часто вынужден преодолевать всевозможные неровности. При таких условиях движения, а также на поворотах, размещенные на главной оси колеса, проходят разные расстояния. Что бы транспортное средство не проскальзывало по дороге, его колеса должны вращаться с разной скоростью. Именно этот условие и обеспечивается автомобильным дифференциалом. Более подробно о его назначении, расположении и устройстве мы Вам расскажем в данной статье.
- 1. Назначение дифференциала
- 2. Расположение дифференциала
- 3. Как устроен дифференциал
- 4. Неисправности дифференциала
1. Назначение дифференциала
Для начала немного истории. Появление первых дифференциалов, практически совпадает с изобретением самых двигателей внутреннего сгорания. А все дело в том, что первые автомобили, оборудованные таким двигателем, очень плохо поддавались управлению: при повороте транспортного средства, угловая скорость вращения двух колес одной оси была одинаковой, вызывая тем самым, пробуксовку одного колеса, которое перемещалось по внешнему, большему диаметру.
Решение возникшей проблемы не заставило себя долго ждать: разработчики и конструкторы машин с ДВС, просто позаимствовали дифференциал у популярных на то время паровых повозок. Данный механизм был изобретен французским инженером О. Пекке-Ромом в 1828 году и являл собой некое устройство, состоящее из валов и шестерней, с помощью которых выполнялась передача крутящего момента от мотора к ведущим колесам. Однако, полностью решить проблему — тогда не удалось.
После установки дифференциала на автомобиль, возникла еще одна неточность – колесо, утратившее сцепление с дорогой, также начало пробуксовывать. Как правило, это проявлялось при движении транспортного средства по обледеневшей дороге: когда колесо попадало на лед, и начинало вращаться намного быстрее нежели то, которое оставалось на грунте. В результате, автомобиль заносило, а водитель попросту терял управление.
Случившаяся неудача заставила инженеров-конструкторов задуматься над усовершенствованием имеющегося дифференциала, которое бы в такой ситуации, смогло обеспечить одинаковую скорость вращения обоих колес, без заноса транспортного средства. Первым ученным, который взялся за решение поставленной задачи, стал Ф.Порше. На разработку, тестирование и выпуск нового механизма с ограниченным проскальзыванием, ему понадобилось всего три года, после чего кулачковый дифференциал увидел мир (изначально устанавливался на первые Volkswagen).
В современном понимании, дифференциалом принято считать механизм, распределяющий крутящий момент входного вала между выходными полуосями главных (ведущих) колес, а на автомобилях с повышенной проходимостью, крутящий момент распределяется между двумя ведущими осями — передней и задней.
Дифференциал дает колесам возможность вращения с разной угловой скоростью, что позволяет проходить разный путь, без всякого проскальзывания по отношению к дорожному полотну. Проще говоря, приходящий на дифференциал 100% крутящий момент, может распределяться между ведущими колесами как в пропорции 50 х 50, так и в любой другой (к примеру, 60 х 40). К сожалению, иногда, пропорция может соответствовать значению и 100х0, указывающему на то, что одно колесо стоит, а другое буксует.
Описанный механизм является составляющей трансмиссии, которая, на классических и переднеприводных автомобилях, зачастую, представлена в виде сплошного блока, с имеющейся главной передачей, а на полноприводных внедорожниках встроена в раздаточную коробку. Крутящий момент, поступающий на свободный дифференциал, всегда делится поровну, не смотря на то, с какой скоростью вращаются ведущие колеса (или оси) – с одинаковой или с разной.
Когда транспортное средство перемещается по криволинейной дороге (например, при поворотах), колеса главной оси передвигаются по разным окружностям. Если выходить из соотношения с центром поворота машины, то внешнее колесо проходит сравнительно больший путь, чем колесо, оказавшееся размещенным на внутренней стороне. Чем круче поворот, тем больше будет заметна эта разница.
Проблема может возникнуть и при передвижении по прямой траектории, например, когда на автомобиле установлены ведущие колеса разного размера. Если их соединить жесткой осью, то станет ясно, что одно колесо крутиться быстрее, чем это нужно для преодоления заданного пути, а другое несколько отстает от его темпа, тоесть, крутится медленнее. В таких случаях, оба колеса будут испытывать повышенные нагрузки, а как следствие сильнее нагреваться и быстрее изнашиваться, что также приведет к увеличению расхода топлива. Более того, данный фактор отрицательно влияет на курсовую устойчивость транспортного средства, вызывая его занос или полный снос, особенно в холодную пору года, когда дорожное полотно, хоть немного, но покрывается коркой льда.
Исходя из описанной выше проблемы, становится понятно, что без компенсации разницы пути, проходимого ведущими колесами (осями) обойтись нельзя, а так как для этих целей используется дифференциал, то это делает его очень важной и необходимой составляющей частью конструкции автомобиля. В самом простом варианте, свободный дифференциал, способный уравнивать крутящие моменты (тяговые силы) обоих колес и если у них наблюдаются разные скорости вращения (линейного движения), то и мощности будут пропорциональны такой разнице. Колесо, которое крутится быстрее, расходует на это больше мощности, нежели то, которое имеет сравнительно низкую скорость вращения. Таким образом, главной задачей дифференциала есть обеспечение разной угловой скорости вращения ведущих колес, в условиях стабильно-постоянной передачи крутящего момента на оба колеса одной (ведущей) оси.
2. Расположение дифференциала
И так, мы уже выяснили, что дифференциал – это одна из основных частей конструкции трансмиссии. Теперь давайте рассмотрим, где же именно она устанавливается. В транспортном средстве, она может занимать одно из следующих расположений:
— в автомобиле, оснащенном задним приводом, дифференциал используется для привода ведущих колес и устанавливается в картере заднего моста;
— в переднеприводном транспортном средстве – размещается в коробке передач;
— в полноприводных машинах, может использоваться как для привода ведущих колес, так и для аналогичного привода мостов. В первом случае, дифференциал помещается в картер переднего и заднего мостов, а во втором – монтируется в раздаточную коробку.
С конструктивной точки зрения, дифференциал основывается на устройстве планетарного редуктора и в зависимости от вида зубчатой передачи, использующейся в нем, выделяют следующие типы данного элемента:
Конический тип, в основном используется в качестве междуколесного дифференциала. Цилиндрический, как правило, занимает место между ведущими осями полноприводных автомобилей, а червячный дифференциал, принимая во внимание его универсальность, подходит для применения как между колесами, так и между осями.
Если в транспортном средстве имеется только одна ведущая ось, значит дифференциал располагается прямо на ней. Автомобили, где установлена сдвоенная ведущая ось, оборудуются двумя дифференциалами – по одному на каждой оси. Вездеходы, с возможностью отключения полного привода, также, имеют по одному дифференциалу на каждой оси. В последнем случае, для езды по дорогам, не рекомендуется использовать включенный полный привод. На транспортных средствах, оборудованных полным приводом, имеется три дифференциала: два на осях (по одному на каждой) и еще один межосевой, в задачу которого входит распределение крутящего момента между осями.
Если в автомобиле установлены три или четыре ведущие мосты (встречается на колесных формулах формула 6×6 или 8×8), к уже названным типам добавляется еще один – межтележечный дифференциал.
3. Как устроен дифференциал
На сегодняшний день, усовершенствованный конструкторами дифференциал, представлен в виде планетарной передачи, крутящий момент которой направляется от двигателя транспортного средства к корпусу самого дифференциала, проходя через кардан и коническую зубчатую передачу. В свою очередь, корпус элемента, посылает крутящий момент на шестерни, а уже от них он распределяется между полуосями.
Сцепление между полуосями и шестернями-сателлитами обладает двумя степенями свободы, что дает им возможность вращения с разными угловыми скоростями. Именно поэтому, получается, что дифференциал способствует разноскоростному вращению колес одной оси, предотвращая тем самым, их пробуксовку на поворотах.
К основным составляющим устройства дифференциала относят такие элементы:
Ведущий вал. Главная его задача — передача крутящего момента от коробки передач к началу самого дифференциала.
Главная (ведущая) шестерня ведущего вала. Небольшая деталь с косыми зубцами, представленная в форме конуса, которую используют для сцепления с механизмом дифференциала.
Коронная шестерня – это ведомая деталь, также имеющая форму конуса и приводящаяся в движение при помощи ведущей оси. Ведущая и ведомая шестерня (а именно так и называют коронную шестерню) являются главной передачей и служат последним этапом на пути к уменьшению скорости вращения, достигающего, в последствии, колес автомобиля. Коронная шестерня всегда меньше ведущей, а значит, последней придется выполнить намного больше оборотов, в то время как ведомая, сделает всего лишь один — кругом своей оси.
Шестерни полуосей являются последней ступенькой на пути передачи крутящего момента от ведущего вала к колесам.
Сателлиты. Как раз и представлены в виде планетарного механизма, осуществляющего ключевую задачу в вопросе обеспечения разной скорости вращения колес при повороте.
Полуоси – это валы, непосредственно соединяющие дифференциал и колеса.
Среди всего видового разнообразия дифференциалов, выделяют еще симметричные или несимметричные виды. Первый вид, обеспечивает передачу равносильного крутящего момента на каждое из колес и, обычно, дополняется главной передачей. Дифференциал второго вида, способствует выполненю передачи крутящего момента в разном соотношении и, как правило, применяется между приводными осями транспортного средства.
4. Неисправности дифференциала
Основные неисправности дифференциалов и главной передачи могут иметь следующий вид:
— износ крестовины или подшипников устройства;
— подтекание масла в местах соединения картера и заднего моста;
— износ или повреждение сальников.
Причин каждой поломки может быть несколько. Так, например, подтекание масла, чаще всего, вызвано износом уплотнителя, сальников карданных шарниров или ослаблением обоймы фланцевого сальника эластичной муфты.
Если Вы заметили повышение люфта, то скорее всего, причина кроется в износе соединений крестовины. Когда проблемы возникают в работе главной передачи, то при движении транспортного средства, в картере заднего моста, можно будет услышать небольшой характерный шум. Небольшие зазоры в подшипниках, легко устраняются посредством обычной регулировки, но если детали дифференциала и главной передачи сильно изношены, то ремонтные мероприятия здесь не помогут – их придется заменять новыми.
При длительной эксплуатации, на карданных передачах, довольно часто износу поддаются крестовины карданных валов. Степень изношенности их шипов определяется расстоянием между ними. При достижении размера меньше допустимого – крестовины подлежат замене. Также, в случае сильного износа или трещин (обломов) срочно нужно менять и вилки подшипника. Приваривается вилка путем использования электродуговой сварки, после чего, в среде углекислого газа, ее покрывают слоем флюса.
Есть на вале прогибы или нет, станет ясно в результате измерения радиального биения, выполняющегося при торце в вилках по всей длине и установке приспособлений с требуемым диаметром. Если в ходе диагностической части станет понятно, что исправность нельзя будет устранить, то придется менять вал полностью.
Дифференциал трактора
Дифференциал трактора
Дифференциал. При повороте колесного трактора (рис. 74, а, б, в, г, д) его колесо, идущее ближе к центру поворота 0, проходит меньший путь, чем колесо, расположенное дальше от центра. Следовательно, внутреннее и наружное колеса за это время сделают различное число оборотов, т. е. будут вращаться с разной частотой.
Чтобы ведущие колеса трактора при поворотах могли иметь различную частоту вращения, их устанавливают не на одном общем валу, а на двух самостоятельных, называемых полуосями. На этих полуосях также укреплены ведомые шестерни конечной передачи. Кроме того, в ступице ведомой шестерни главной передачи установлен специальный механизм—дифференциал, который распределяет крутящий момент между ведущими колесами и обеспечивает при необходимости их вращение с различной частотой.
Устройство. Дифференциал состоит из корпуса (его роль выполняет разъемная ступица ведомой шестерни главной передачи), внутри которого размещены конические шестерни, соединенные валами с ведущими шестернями конечной передачи, и жестко закрепленные оси 6 со свободно сидящими на них небольшими коническими шестернями — сателлитами. Сателлиты своими зубьями соединяются с шестернями.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Действие. При вращении вала ведущей шестерни главной передачи крутящий момент передается шестерне с закрепленными в ее ступице осями сателлитов. Сателлиты при этом увлекают за собой шестерни. От этих шестерен вращение через конечную передачу передается на ведущие колеса трактора.
Если сопротивление вращению обеих полуосевых шестерен одинаково, что бывает при движении трактора по прямой ровной дороге, сила Р передается на зубцы шестерен одинаковыми частями р/2. Сателлиты при этом не вращаются вокруг осей, а выполняют роль замка, соединяющего обе шестерни.
Если сопротивление увеличится, например, на колесе, получающем вращение через шестерню, тогда сателлит начнет вращаться на оси и, перекатываясь по шестерне, будет увеличивать частоту вращения шестерни. При этом частота вращения шестерни увеличится настолько, насколько уменьшится частота вращения шестерни, а передаваемые крутящие моменты на каждое из колес останутся равными. Если шестерню полностью затормозить, то частота вращения шестерни будет в 2 раза больше, чем при движении трактора по прямой.
Рис. 74. Дифференциал:
а — схема поворота колесного трактора; б — дифференциал не заблокирован; в — дифференциал заблокирован; г — устройство; д — схема действия; 1, 14 — валы; 2, 5, 11, 13, 15 — шестерни; 3, 12 — полуоси; 4 — педаль; 6 — ось; 7 — ступица; 8 — неподвижная муфта; 9 — подвижная муфта; 10 — пружина; 16 — сателлиты.
При движении трактора по прямой дороге с хорошим однородным покрытием сцепление с почвой, частоты вращения и толкающие силы его ведущих колес одинаковы.
Если правое и левое колеса трактора катятся по грунту различной плотности, то вследствие неодинакового сцепления колес с почвой их буксование будет разным, а это приведет к тому, что частота их вращения и развиваемая сила тяги каждого колеса будут различны.
Но так как между колесами установлен дифференциал, уравнивающий передаваемые крутящие моменты, общее тяговое усилие, развиваемое колесами, будет равно удвоенному тяговому усилию колеса, идущего по грунту меньшей плотности.
Пример. Универсально-пропашной трактор обычной конструкции, массой 3000 кг (распределение этой массы по передним и задним колесам как 1/3 к 2/3) движется по ровной, гладкой, сухой дороге. Коэффициент сцепления обоих колес с дорогой ср = 0,7.
Рис. 75. Влияние действия дифференциала на тяговое усилие трактора: / — оба колеса имеют одинаковое сцепление с почвой, дифференциал не заблокирован; II — колеса имеют разное сцепление с почвой, дифференциал не заблокирован; III — колеса имеют разное сцепление с почвой, дифференциал заблокирован.
Поскольку между колесами установлен дифференциал, уравнивающий передаваемые моменты, правое колесо может реализовать только такую силу, которую развивает левое колесо.
Устройства для блокировки дифференциала. Дифференциал можно блокировать механически, нажимая на соответствующую педаль, и автоматически.
Механическое устройство состоит из подвижной кулачковой муфты (см. рис. 74, г), установленной на шлицах полуоси левого ведущего колеса, приводимого в движение педалью, и неподвижной муфты, закрепленной на полуоси правого колеса.
Действие такого устройства заключается в следующем. Когда тракторист нажимает на педаль, пружина сжимается, подвижная часть муфты передвигается по шлицам, входит в выемки неподвижной муфты (см. рис. 74, в) и тем самым жестко соединяет обе полуоси в один общий вал. Ведущие колеса трактора при этом могут вращаться только с одинаковой частотой. При снятии ноги с педали подвижная муфта под действием пружины занимает исходное положение (см. рис. 74, б).
Автоматическое устройство состоит из исполнительного механизма, расположенного на кожухе левого тормоза трактора, и датчика, установленного в системе гидроусилителя рулевого управления.
Датчик автоматического устройства состоит из золотника и поворотного крана с маховичком. В состав датчика входит также нерегулируемый редукционный клапан 8, поддерживающий в гидросистеме давление 0,7…0,8 МПа при температуре масла 40…70 °С.
Действие механизма автоматической блокировки заключается в следующем. При установке маховичка в положение «Включено» во время движения трактора по прямой масло, подаваемое насосом, проходит через поворотный кран, затем поступает через золотник в исполнительный механизм и начинает давить на диафрагму. Диафрагма сжимает между собой диски и выключает дифференциал из работы.
При повороте направляющих колес трактора на угол больше 8° рейка перемещается вправо или влево (в зависимости от направления поворота), шарик золотника выходит из углубления в рейке, золотник поднимается и соединяет внутреннюю юлость крана 9 со сливным отверстием. Через это отверстие масло из напорной магистрали и полости диафрагмы направляется в бак, в результате чего происходит разблокирование дифференциала.
Рис. 76. Автоматическая блокировка дифференциала:
а — устройство; б — механизм включения; 1 — блокировочный вал; 2 — ведомые диски; 3 — диафрагма; 4 — нажимные диски; 5 — маховичок; 6 — насос; 7 — бак; 8 — редукционный клапан; 9 — кран; 10 — направляющие колеса; 11 — золотник; 12 — рейка; 13 — шарик; 14 — крестовина; 15 — конечная передача; 16 — тросик; 17 — рукоятка.
Управление маховичком (см. рис. 76, б) производится рукояткой, установленной в кабине трактора, через тросик.
Если маховичок поставить в положение «Выключено», кран 9 встанет так, что напорная масляная магистраль отключится от полости диафрагмы и она соединится со сливной магистралью. Автоматическую блокировку целесообразно применять при скоростях движения трактора не выше 10 км/ч. При работе трактора на транспортных скоростях заблокированный дифференциал значительно ухудшает маневренность трактора, что может привести к аварии.
Самоблокирующийся дифференциал. На передних ведущих колесах устанавливаются самоблокирующиеся дифференциалы, которые при прямолинейном движении трактора в отличие от обычных дифференциалов могут обеспечивать передачу на ведущие колеса крутящих моментов различных по величине. При этом, как было показано выше, повышается тяговое усилие трактора.
Конструкции самоблокирующихся дифференциалов бывают различными. В качестве примера рассмотрим применяемую на универсально-пропашных тракторах.
Устройство. Дифференциал состоит из двух корпусов (рис. 77, а, б), соединенных между собой болтами. Внутри корпусов размещены четыре сателлита, посаженные на двух осях, две полуосевые шестерни и два комплекта фрикционных дисков ведущих, имеющих наружные зубья, соединенные с внутренними зубьями корпусов, и ведомых, внутренними зубьями, соединенными с наружными зубьями ступиц полуосевых шестерен. Вместе с ведомыми дисками на ступицы шестерен установлены нажимные чашки. Внутренние шлицы ступиц шестерен соединяются с полуосями.
Рис. 77. Самоблокирующийся дифференциал:
а — схема действия; б — устройство; 1,2,5 — шестерни; 3 — оси; 4 — сателлиты; 6 — чашки; 7 — ведущие диски; 8— ведомые диски; 9 — полуоси; 10.
Особенность данного дифференциала — наличие плавающих осей 3 сателлитов, которые могут перемещаться одна относительно другой. Для этой цели на концах осей сделаны скосы.
Действие. В том случае, если передний мост трактора не включен, дифференциал не заблокирован (см. рис. 77), он работает как обычный дифференциал.
После включения переднего моста в работу оси сателлитов под нагрузкой перемещаются по пазам — скосам в корпусах на величину зазоров между фрикционными дисками. От осей усилие передается на сателлиты, которые при этом нажмут на чашки, а те, в свою очередь, сожмут диски до упора в стенки корпусов.
При этом крутящий момент, подведенный шестерней, будет передаваться не только через зубья сателлитов, но и за счет сил трения между сжатыми дисками. При этом моменты, передаваемые зубьями сателлитов и полуосевых шестерен, окажутся одинаковыми, а моменты, передаваемые за счет трения, могут отличаться один от другого в зависимости от сцепления правого колеса с почвой.
При поворотах трактора с включенным передним мостом, когда внешние силы превысят силы трения между дисками, они будут пробуксовывать, не мешая повороту.
Дифференциал (механическое устройство) Факты для детей
Детская энциклопедия Факты
Дифференциал представляет собой механическое устройство состоит из нескольких шестерен. Он используется практически во всех механизированных четырехколесных транспортных средствах. Он используется для передачи крутящего момента от карданного вала к ведущим колесам. Его основная функция — позволить ведущим колесам вращаться с разной скоростью вращения, позволяя колесам проходить повороты, продолжая получать мощность от двигателя.
Различные типы
- Открытый дифференциал (OD) является наиболее распространенным типом.
Он также является наименее дорогим. Открытый дифференциал позволяет автомобилю проходить повороты без волочения внешнего колеса. Однако мощность передается на колесо с наименьшим сцеплением с дорогой. Если это колесо находится на льду или другой скользкой поверхности, транспортное средство не будет двигаться вперед, а колесо с усилителем просто будет вращаться. В автомобилях с приводом на два колеса, если они имеют открытый дифференциал, они имеют только одно ведущее колесо. В полноприводных автомобилях с открытыми дифференциалами (обычно заводскими) только одно колесо на каждой оси приводит в движение автомобиль. Преимущества включают в себя редкое разрушение оси, меньший износ шин, и они бесплатны, поскольку большинство новых автомобилей поставляются с открытыми дифференциалами. - Дифференциал повышенного трения (LSD) решает эту проблему. Используя ряд сцеплений (называемых пакетом сцеплений), LSD допускает ограниченное проскальзывание колес, сохраняя при этом мощность на оба ведущих колеса. LSD популярны в гоночных автомобилях, так как часто бывают случаи, когда они выходят из поворота и нуждаются в ускорении без потери мощности на одно ведущее колесо.
- Блокируемый дифференциал (блокировка) способен блокировать два ведущих колеса на оси вместе. Преимущество в том, что оба колеса всегда имеют мощность. Недостатком является то, что поворачивать намного сложнее, так как оба колеса должны вращаться с одинаковыми оборотами. Таким образом, большинство шкафчиков должны быть отключены при резких поворотах. Шкафчики также могут создать для водителя некоторые опасные ситуации. Например, при движении по склону (движение поперек), если одно ведущее колесо теряет сцепление с дорогой, оба теряют сцепление с дорогой, и автомобиль может скользить вниз по склону. Водителей часто предупреждают, чтобы они не пересекали склон, если поверхность рыхлая или скользкая. Шкафчики могут включаться и выключаться механически, электронным способом (электронный шкафчик) или с помощью сжатого воздуха (воздушный шкафчик). Шкафчики желательны на внедорожниках, но обычно бесполезны на улицах и шоссе.
- Катушка представляет собой открытый дифференциал, в котором оси механически скреплены друг с другом. Это не позволяет ни одному из колес двигаться быстрее или медленнее на поворотах. Это дешево и практически не увеличивает вес автомобиля, но обычно ограничивается соревнованиями по бездорожью и ездой по бездорожью. Они не желательны для езды по улице, так как будут «чирикать» шинами при прохождении поворотов.
Торсен — тот же конечный эффект, что и ограниченное скольжение, но не использует сцепление или не решается сделать это
Картинки для детей
Чертеж заднего моста автомобиля в разрезе, показывающий ведущее колесо и шестерню главной передачи, а также меньшие шестерни дифференциала
Дифференциал ZF. Приводной вал входит спереди, а ведущие оси движутся слева и справа.
- Планетарная передача
используется здесь для асимметричного распределения крутящего момента.
Входной вал — зеленый полый, желтый — низкий крутящий момент, а розовый — высокий крутящий момент. Сила, прикладываемая к желтой и розовой шестерням, одинакова, но поскольку плечо розовой шестерни в 2–3 раза больше, крутящий момент будет в 2–3 раза выше. Дифференциал с цилиндрическими зубчатыми колесами, состоящий из зацепления сателлитов двух соосных планетарных зубчатых передач. Корпус является несущим для этой планетарной передачи.
Автомобильный дифференциал: ведущая шестерня 2 установлена на водиле 5, которое поддерживает планетарные конические шестерни 4, входящие в зацепление с ведомыми коническими шестернями 3, прикрепленными к мостам 1.
Гипоидная зубчатая пара, соединяющая карданный вал автомобиля с дифференциалом
Дифференциал, используемый для управления приемной катушкой устройства для чтения бумажных лент, изготовленного Tally примерно в 1962 году. Конические шестерни свободно вращаются на своих валах, если только тормозная колодка не останавливает левую шестерню.
Это приводит к тому, что планетарная шестерня приводит в движение выходной вал с половиной скорости ведомой шестерни справа.Планетарный дифференциал, используемый для привода самописца, около 1961 года. Двигатели приводят в движение солнечную и кольцевую шестерни, а выходной сигнал берется от водила планетарной передачи. Это дает 3 различных скорости в зависимости от того, какие двигатели включены.
Все содержимое статей энциклопедии Kiddle (включая изображения статей и факты) можно свободно использовать по лицензии Attribution-ShareAlike, если не указано иное. Процитируйте эту статью:
Дифференциал (механическое устройство) Факты для детей. Энциклопедия Киддла.
Федеративное обучение с формальными дифференциальными гарантиями конфиденциальности — блог Google AI
Авторы: Брендан МакМахан и Абхрадип Тхакурта, ученые-исследователи, Google Research
В 2017 году Google представила федеративное обучение (FL) — подход, который позволяет мобильным устройствам совместно обучать модели машинного обучения (ML), сохраняя необработанные данные обучения на устройстве каждого пользователя, отделяя возможность выполнять ML от необходимости хранить данные. в облаке. С момента своего появления Google продолжал активно участвовать в исследованиях FL и развернул FL для поддержки многих функций в Gboard, включая прогнозирование следующего слова, предложение смайликов и обнаружение слов вне словаря. Федеративное обучение улучшает модели обнаружения «Окей, Google» в Ассистенте, предлагает ответы в сообщениях Google, прогнозирует выбор текста и многое другое.
В то время как FL допускает ML без сбора необработанных данных, дифференциальная конфиденциальность (DP) обеспечивает измеримую меру анонимности данных и при применении к ML может решить проблемы с моделями, запоминающими конфиденциальные пользовательские данные. Это также было главным исследовательским приоритетом и привело к одному из первых производственных применений DP для аналитики с RAPPOR в 2014 году, нашей библиотекой DP с открытым исходным кодом, Pipeline DP и TensorFlow Privacy.
Благодаря многолетним усилиям нескольких команд, охватывающим фундаментальные исследования и интеграцию продуктов, сегодня мы рады объявить, что развернули производственную модель машинного обучения с использованием федеративного обучения со строгой дифференциальной гарантией конфиденциальности. Для этого развертывания для проверки концепции мы использовали алгоритм DP-FTRL для обучения рекуррентной нейронной сети для обеспечения предсказания следующего слова для испаноязычных пользователей Gboard. Насколько нам известно, это первая производственная нейронная сеть, обученная непосредственно на пользовательских данных, объявленных с формальной гарантией DP (технически ρ = 0,81 с нулевой концентрированной дифференциальной конфиденциальностью, zCDP, подробно обсуждается ниже). Кроме того, федеративный подход предлагает дополнительные преимущества минимизации данных, а гарантия DP защищает все данные на каждом устройстве, а не только отдельные обучающие примеры.
Минимизация данных и анонимизация в федеративном обучении
Наряду с такими основными принципами, как прозрачность и согласие, принципы конфиденциальности минимизации данных и анонимизации важны в приложениях машинного обучения, которые используют конфиденциальные данные.
Системы федеративного обучения структурно включают принцип минимизации данных . FL передает только минимальные обновления для конкретной задачи обучения модели (сосредоточенный сбор), ограничивает доступ к данным на всех этапах, обрабатывает данные отдельных лиц как можно раньше (раннее агрегирование) и как можно быстрее отбрасывает как собранные, так и обработанные данные ( минимальное удержание).
Другим принципом, который важен для моделей, обученных на пользовательских данных, является анонимизация , означающая, что окончательная модель не должна запоминать информацию, уникальную для данных конкретного человека, например, номера телефонов, адреса, номера кредитных карт. Однако FL сам по себе не решает эту проблему напрямую.
Математическая концепция ДП позволяет формально количественно выразить этот принцип анонимизации. Алгоритмы дифференциального частного обучения добавляют случайный шум во время обучения, чтобы создать распределение вероятностей по выходным моделям и гарантировать, что это распределение не изменится слишком сильно при небольшом изменении обучающих данных; ρ-zCDP количественно определяет, насколько может измениться распределение. Мы называем это уровень примера DP при добавлении или удалении одного обучающего примера изменяет распределение вывода на моделях доказуемо минимальным образом.
Показ того, что глубокое обучение с дифференциальной конфиденциальностью на уровне примеров возможно даже в более простой обстановке централизованного обучения, стало важным шагом вперед в 2016 году. Ключевым моментом, достигнутым с помощью алгоритма DP-SGD, было усиление гарантии конфиденциальности за счет использования случайности в обучении выборки. примеры («амплификация через выборку»).
Однако, когда пользователи могут добавить несколько примеров в обучающий набор данных, DP на уровне примеров не обязательно достаточно надежен, чтобы гарантировать, что данные пользователей не будут запомнены. Вместо этого мы разработали алгоритмы для уровня пользователя DP, которые требуют, чтобы выходное распределение моделей не менялось, даже если мы добавляем/удаляем все обучающих примеров от любого одного пользователя (или все примеры от любого одно устройство в нашем приложении). К счастью, поскольку FL суммирует все данные обучения пользователя в виде одного обновления модели, федеративные алгоритмы хорошо подходят для предоставления гарантий DP на уровне пользователя.
Однако как ограничение вклада одного пользователя, так и добавление шума могут привести к снижению точности модели, поэтому поддержание качества модели при одновременном обеспечении надежных гарантий DP является ключевым направлением исследований.
Сложный путь к федеративному обучению с дифференциальной конфиденциальностью
В 2018 году мы представили алгоритм DP-FedAvg, который расширил подход DP-SGD на федеративные настройки с гарантиями DP на уровне пользователя, а в 2020 году мы впервые развернули этот алгоритм на мобильных устройствах. Такой подход гарантирует, что механизм обучения не слишком чувствителен к данным какого-либо одного пользователя, а эмпирические методы аудита конфиденциальности исключают некоторые формы запоминания.
Тем не менее, аргумент усиления через выборку важен для обеспечения надежной гарантии DP для DP-FedAvg, но в реальной системе FL для нескольких устройств обеспечение точной и равномерной случайной подвыборки устройств из большой совокупности было бы сложным и трудно проверить. Одна из проблем заключается в том, что устройства выбирают время подключения (или «регистрации») на основе многих внешних факторов (например, требование бездействия устройства, безлимитный Wi-Fi и зарядка), а количество доступных устройств может существенно различаться.
Для достижения формальной гарантии конфиденциальности требуется протокол, который выполняет все из следующих действий:
- Делает успехи в обучении, даже если набор доступных устройств значительно меняется со временем.
- Поддерживает гарантии конфиденциальности даже в случае неожиданных или произвольных изменений доступности устройства.
- Для повышения эффективности позволяет клиентским устройствам локально решать, будут ли они регистрироваться на сервере для участия в обучении, независимо от других устройств.
Первоначальная работа по усилению конфиденциальности с помощью случайных проверок выявила эти проблемы и представила выполнимый протокол, но для его развертывания потребовались бы сложные изменения в нашей производственной инфраструктуре. Кроме того, как и в случае с анализом усиления через выборку DP-SGD, усиление конфиденциальности, возможное при случайных проверках, зависит от большого количества доступных устройств. Например, если для обучения доступно только 1000 устройств и на каждом этапе обучения требуется участие не менее 1000 устройств, для этого требуется либо 1) включить все устройства, доступные в настоящее время, и заплатить большую цену за конфиденциальность, поскольку в выборе нет случайности или 2) приостановка протокола и прекращение работы до тех пор, пока не станет доступно больше устройств.
Достижение доказуемой дифференциальной конфиденциальности для федеративного обучения с помощью DP-FTRL
Чтобы решить эту проблему, алгоритм DP-FTRL построен на двух ключевых наблюдениях: 1) сходимость алгоритмов в стиле градиентного спуска зависит в первую очередь не от точности отдельных градиентов, а от точности кумулятивных сумм градиентов; и 2) мы можем обеспечить точные оценки кумулятивных сумм с надежной гарантией DP, используя отрицательно коррелированный шум, добавленный сервером агрегации: по сути, добавляя шум к одному градиенту и вычитая тот же самый шум из более позднего градиента. DP-FTRL эффективно выполняет это с помощью алгоритма Tree Aggregation [1, 2].
На приведенном ниже рисунке показано, как может помочь оценка кумулятивных сумм, а не отдельных градиентов. Мы смотрим, как шум, вносимый DP-FTRL и DP-SGD, влияет на обучение модели по сравнению с истинными градиентами (без добавленного шума; выделено черным цветом), которые делают шаг на одну единицу вправо на каждой итерации. Индивидуальные оценки градиента DP-FTRL (синие), основанные на кумулятивных суммах, имеют большую среднеквадратичную ошибку, чем оценки DP-SGD с индивидуальным шумом (оранжевые), но поскольку шум DP-FTRL имеет отрицательную корреляцию, некоторые из них отменяется от шага к шагу, а общая траектория обучения остается ближе к истинным шагам градиентного спуска.
Чтобы обеспечить надежную гарантию конфиденциальности, мы ограничиваем количество раз, когда пользователь вносит обновление. К счастью, выборку без замены относительно легко реализовать в производственной FL-инфраструктуре: каждое устройство может локально помнить, в какие модели оно вносило свой вклад в прошлом, и не подключаться к серверу для каких-либо более поздних циклов для этих моделей.
Подробности производственного обучения и формальные заявления DP
Для производственного развертывания DP-FTRL, представленного выше, каждое подходящее устройство поддерживает локальный обучающий кэш, состоящий из пользовательского ввода с клавиатуры, и при участии вычисляет обновление модели, которое повышает вероятность предложения следующего слова, фактически введенного пользователем, на основе то, что было напечатано до сих пор. Мы запустили DP-FTRL на этих данных, чтобы обучить рекуррентную нейронную сеть с параметрами ~ 1,3 млн. Обучение длилось 2000 раундов в течение шести дней, в каждом раунде участвовало 6500 устройств. Чтобы обеспечить гарантию DP, устройства участвовали в обучении не чаще одного раза в 24 часа. Качество модели улучшилось по сравнению с предыдущей обученной моделью DP-FedAvg, которая предлагала эмпирически проверенные преимущества конфиденциальности по сравнению с моделями без DP, но не имела значимой формальной гарантии DP.
Используемый нами механизм обучения доступен с открытым исходным кодом в TensorFlow Federated и TensorFlow Privacy, а с параметрами, используемыми в нашем производственном развертывании, он обеспечивает значительную гарантию конфиденциальности. Наш анализ дает ρ = 0,81 zCDP на уровне пользователя (обработка всех данных на каждом устройстве как отдельного пользователя), где меньшие числа соответствуют лучшей конфиденциальности математически точным образом. Для сравнения, это сильнее, чем гарантия zCDP ρ = 2,63, выбранная переписью населения США 2020 года.
Следующие шаги
Несмотря на то, что мы достигли этапа развертывания рабочей модели FL с использованием механизма, обеспечивающего существенно малый zCDP, наше исследование продолжается. Мы все еще далеки от того, чтобы сказать, что этот подход возможен (не говоря уже о практичности) для большинства моделей машинного обучения или продуктовых приложений, и существуют другие подходы к частному машинному обучению. Например, тесты на вывод о членстве и другие эмпирические методы аудита конфиденциальности могут обеспечить дополнительную защиту от утечки данных пользователей. Самое главное, мы рассматриваем модели обучения с DP на уровне пользователя даже с очень большим zCDP как существенный шаг вперед, потому что это требует обучения с помощью механизма DP, который ограничивает чувствительность модели к любым данным пользователя. Кроме того, это облегчает переход к более поздним моделям обучения с улучшенными гарантиями конфиденциальности по мере появления более совершенных алгоритмов или большего количества данных. Мы рады продолжить путь к максимизации ценности, которую может принести машинное обучение, при минимизации потенциальных затрат на конфиденциальность для тех, кто предоставляет обучающие данные.